热处理工艺7-应用2

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1、3.4.2 热处理在机械零件制造中的综合运用,一、机械零件 热处理工艺的设计 热处理工艺是整个机器零件和工模具制造工艺的一部分。 最佳的热处理工艺方案，应该既能满足设计及使用性能的要求，而且具有最高的劳动生产率，最少的工序周转和最佳的经济效果。 因此，为了设计最佳热处理工艺方案，不仅要对各种热处理工艺有深入的了解和熟练的掌握，而且对机械零件的设计，零件的加工工艺过程要有充分的了解。,（一）热处理工艺与机械零件设计的关系,机械零件设计与热处理工艺的关系，表现在零件所选用材料和对热处理技术要求是否合理，以及零件结构设计是否便于热处理工艺的实现。 （1）根据零件服役条件合理选择材料 设计者往往根据材

2、料手册提供的性能数据是否符合使用要求来选择材料，但往往忽略零件尺寸对性能的影响，致使在实际生产中工件经热处理后，机械性能达不到要求。,以45钢为例： 因此，在零件设计时应该注意实际淬火效果，不能仅凭手册上简单的性能数据。因为手册上所保证的机械性能只是对一定尺寸大小以下的试棒而言。,对调质处理工件，应该根据零件承载情况，对淬硬层深度提出具体要求，并根据淬硬层要求及工件截面尺寸，选择所用钢材。 （a）对整个截面均匀承载零件，要求心部至少有50%马氏体。对重要的零件，例如柴油机连杆及连杆螺栓，甚至要求心部有95%以上的马氏体。此时宜选择高淬透性的钢种。 （b）对于某些轴类零件，它们承受弯曲、扭转等复

3、合应力的作用。在这类零件的截面上应力分布是不均匀的，最大应力发生在轴的表层，而轴的中心受力很小。对这类零件心部没有必要得到100%马氏体，一般只要求自表面的3/4半径或1/2半径处淬硬就行。此时可选择淬透性低的钢种。,（c）对于尺寸较大的碳素钢和低合金钢调质件，由于尺寸超过该材料可淬硬的范围，因而淬火后甚至表层也得不到马氏体组织。对这类工件一般以正火加“高温回火”(目的主要是去应力)为宜。这样工艺简单，变形较少。如果由于淬透性不足，根本满足不了设计性能要求，应该改用淬透性较高的钢材。 （d）对工、模具，一般均要求完全淬透， 为了保证其热处理效果，必须考虑所选用材料淬透性是否合乎要求。 （e）表

4、面硬化处理零件，如高频淬火、渗碳、渗氮等，如何在表面造成有利的残余压应力,这也和设计有关。这包括钢的淬透性、心部含碳量、硬化层深度与截面尺寸比等的选择。,（2）零件结构设计要符合热处理工艺性的要求,零件结构的设计，直接影响热处理工艺的实现。如果零件结构设计不合理,有可能使有些要求淬硬的工作表面不能淬火；有些零件的热处理变形、开裂很难避免。因此设计工作者在进行零件结构设计时,应充分注意该种结构的热处理工艺性如何。从热处理工艺性考虑,在进行零件结构设计时,应注意下列几点：,在零件热处理加热和冷却时要便于装卡、吊挂。在不影响工件使用性能条件下，在工件上应开一些工艺孔。 有利于热处理时均匀加热和冷却。

5、,避免尖角、棱角。零件的尖角和棱角部分是淬火应力集中的地方，往往成为淬火裂纹的起点；在高频加热表面淬火时，这些地方极易过热；在渗碳、渗氮时，棱角部分容易浓度过高，产生脆性。因此，在零件结构设计时应避免尖角、棱角。,采用封闭、对称结构。零件形状为开口的或不对称结构时，淬火时淬火应力分布不均，易引起变形。为了减少变形，应尽可能采用封闭对称结构。 对形状复杂或截面尺寸变化较大的零件,尽可能采用组合结构或镶拼结构。,（二）热加工工艺对热处理的影响,（1）锻造加热温度对热处理质量的影响： 如果锻造加热温度过高而使锻造后带有过热缺陷，那么这种过热缺陷由于晶内织构作用,用一般正火的方法很难消除,因而在最终热

6、处理时往往出现淬火组织晶粒粗大,冲击韧性降低。化学热处理淬火后渗层中出现粗大马氏体针等缺陷。 防止这种缺陷的产生,应该以严格限制锻造加热温度为主。一旦产生这种缺陷以后,应该采用高于普通正火温度的适当加热温度正火,使在这温度下发生奥氏体再结晶,破坏其晶内织构,而又不发生晶粒长大。也可以采用多次加热正火来消除。,（2）锻造比不足或锻打方法不当对热处理质量的影响 高速工具钢、高铬模具钢等含有粗大共晶碳化物,由于锻造比不足或交叉反复锻打次数不够，使共晶碳化物呈严重带状、网络状或大块状存在。在碳化物集中处，热处理加热时容易过热，严重者甚至发生过烧。同时由于碳化物形成元素集中于碳化物中，而且碳化物粗大，淬

7、火加热时很难溶解，固溶于奥氏体中的碳和合金元素量降低，从而降低了淬火回火后的硬度及红硬性。碳化物的不均匀分布，容易产生淬火时应力集中，导致淬火裂纹，并降低钢材热处理后的强度和韧性。共晶碳化物的不均匀分布，不能用热处理方法消除，只能用锻打的办法。,（3）锻造变形不均匀性对热处理的影响 锻造成形时，零件各部分变形度不同，特别是在终锻温度较低时，将在同一零件内部造成组织不均匀性和应力分布的不均匀,如果不加以消除，在淬火时容易导致淬火变形和开裂。一般在淬火前应进行退火或正火以消除这种不均匀性。,（三）切削加工对热处理的影响,热处理可以改善材料的切削加工性能，以提高加工后的表面光洁度，提高刀具寿命。一般

8、结构钢热处理后硬度为HB l87220的切削性能最好。 切削加工对热处理质量也有重要影响。切削加工进刀量大引起工件产生切削应力，热处理后产生变形。切削加工光洁度差，特别是有较深尖锐的刀痕时，常在这些地方产生淬火裂纹。表面硬化处理(表面淬火或渗碳等)后的零件，磨削加工时，若进刀量过大会产生磨削裂纹。 为了消除因切削应力而造成的变形，在淬火之前应附加一次或数次消除应力处理，同时对切削刀痕应严加控制。,（四）工艺路线对热处理的影响,零件加工工艺路线安排得是否合理，也直接影响热处理的质量。,图6-9为汽车上的拉条。原设计要求T8A钢，淬火HRC58-62，不平行度为0.15mm ,淬火部位如图所示。原

9、采取全部加工成形淬火、回火，结果淬火后开口处张开。后改用先加工成如图轮廓线所示封闭结构，淬火、回火后再用砂轮片切割成形，减少了变形。,再如图6-l0齿轮，靠近齿根有6个35mm孔，原采取加工成形后高频淬火，结果发现高频淬火后靠近35孔处的节圆下凹。把6个孔安排在高频淬火以后进行加工，避免了这一现象。,二、 典型零件的热处理,（一）齿轮 1.齿轮的工作条件 齿轮主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况为： （1）由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力 （2）换档、启动或齿合不均时，齿部承受一定冲击载荷； （3）齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。,2.齿轮的失效形

10、式 按照工作条件不同，齿轮失效形式主要有： （1）疲劳断裂：主要从根部发生，占齿轮失效总数的三分之一以上，居首位。 （2）齿面磨损：齿面接触区摩擦，齿厚变小。 （3）齿面接触疲劳破坏：在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹发展，引起点状剥落，或称麻点。 （4）过载断裂：主要是冲击载荷过大造成的断齿。 总之是以断裂为主，表面损伤居次。,3.齿轮的性能要求 根据工作条件和失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求： （1）高的弯曲疲劳强度； （2）高的接触疲劳强度和耐磨性； （3）较高的强度和冲击韧性 4.齿轮零件的选材 疲劳强度和耐磨性主要取决于表面硬度，所以要求表面硬度要高。防止冲击

11、断裂要求齿心有足够的强度和韧性。从这两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢，其表面经强化处理后有较高的强度和硬度，心部有足够的强度和韧性。,5.机床齿轮 机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。一般可选用中碳钢制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢。工艺路线为： 下料锻造正火粗加工调质精加工轮齿表面高频感应淬火及回火精磨. 正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，它可消除锻造应力，均匀组织，使同批材料具有相同的硬度，便于切削加工，改善轮齿表面加工质量。对于一般齿轮，正火也可作为高频淬火前的最后热处理工序。,调质处理可使齿轮具有较高的综合力

12、学性能，心部具有足够的强度和韧性，能承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷,并可减少齿轮的淬火变形。 齿面高频淬火及低温回火是决定齿轮表面性能的关键工序。通过高频淬火，轮齿表面硬度可达52HRC以上，提高了耐磨性，并使轮齿表面有残余压应力存在，从而提高了抗疲劳破坏的能力。为了消除淬火应力，高频淬火后进行低温回火。 下表为机床齿轮用材及热处理概况。,6.汽车齿轮 汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。采用调质钢高频淬火不能保证要求，所以，要用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。我国应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi，并经渗碳、淬火和低温

13、回火。渗碳后表面碳含量大大提高，保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。为了进一步提高齿轮的耐用性，渗碳、淬火、回火后，还可采用喷丸处理，增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。 渗碳齿轮的工艺路线为： 下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工。,（二） 轴类零件,轴是机器上的最重要零件之一，一切回转运动的零件，如齿轮、凸轮等都装在轴上。所以，轴主要起传递运动和转矩的作用。 1. 轴类零件的工作条件 （1）轴类零件工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用； （2）轴与轴上零件有相对运动，相

14、互间存在摩擦和磨损； （3）轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷； （4）多数轴会承受一定的过载载荷。,2. 轴类零件的失效方式 轴类零件的一般失效方式有长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂），大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形甚至断裂，与其他零件相对运动时产生的表面过度磨损等。 3. 轴类零件的性能要求 根据轴类材料的工作条件和失效方式，对其可有以下性能要求： （1）良好的综合机械性能：足够的强度、塑性和一定的韧性，以防止过载断裂、冲击断裂； （2）高的疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂； （3）足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；

15、 （4）良好的切削加工性能，价格便宜。,4. 轴类零件材料及选材方法 轴类零件选材时主要考虑强度，同时也要考虑材料的冲击韧性和表面耐磨性。强度设计一方面可保证轴的承载能力，防止变形失效，另一方面由于疲劳强度与拉伸强度大致成正比关系，也可保证轴的耐疲劳性能，并且还对耐磨性有利。 为了兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力，轴一般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。 由于碳钢比合金钢便宜，并且有一定的综合机械性能、对应力集中敏感性较小，所以一般轴类零件使用较多。常用的优质碳结构钢有：35、40、45、50钢等，其中45钢最常用。为改善其性能，这类钢一般要经正火、调质或表面淬火热处理。,合金钢比碳钢具

16、有更好的力学性能和热处理性能，但对应力集中敏感性较高，价格也较贵，所以当载荷较大并要求限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等。采用合金钢必须采取相应的热处理才能充分发挥其作用。 除了上述碳钢和合金钢外，还可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，特别是曲轴的材料。,5.机床主轴 以C620车床主轴为例进行选材。 该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨

17、性。 根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理工艺为调质处理，硬度要求为220HB250HB；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度要求为52HRC。它的工艺路线如下： 锻造正火粗加工调质精加工表面淬火及低温回火磨削加工。 其他机床主轴的工作条件，选材及热处理见下表。,3.5 形变热处理,单纯的热处理强化必须依靠相变，而且相变时间长，成本高。 钢材热锻轧后还有较高的温度，而普通热处理还要再次加热，如果实现成型加工与热处理相结合，那么可省去热处理的加热，显著节约能源。并且经过形变的组织，相变转变快，晶粒得到细化，强度和韧性都获得提高。 因此，形变热处理是目前钢材生产技术的主要发展方向。 例如，控轧控冷技术(TMCP)是目前钢材生产的主流生产方式。,